DE102012020442B4 - Method for checking data using at least two checksums - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Überprüfen von Daten in einer Recheneinheit zur Laufzeit eines Programms, wobei die Recheneinheit Teil eines Geräts mit sicherheitsgerichteter Funktionalität ist, wobei die Daten (DATA) mit einer Prüfsumme erster Art (CS2s) und mit einer Prüfsumme zweiter Art (CS1u) überprüft werden, indem die Prüfsumme erster Art und die Prüfsumme zweiter Art zur Laufzeit des Programms berechnet und jeweils mit einer gespeicherten Prüfsumme (CS1u, CS2s) verglichen werden, wobei zur Laufzeit des Programms der Rechenzeitbedarf zum Berechnen der Prüfsumme zweiter Art (CS1u) geringer als der Rechenzeitbedarf zum Berechnen der Prüfsumme erster Art (CS2s) ist,- wobei die Prüfsumme erster Art (CS2s) bei der Initialisierung des Programms berechnet und mit der gespeicherten Prüfsumme verglichen wird und die Prüfsumme zweiter Art (CS1u) bei der zyklischen Überprüfung während der Laufzeit des Programms mehrmals, insbesondere in regelmäßigen und/oder vorgebbaren Zeitabständen berechnet und mit der gespeicherten Prüfsumme verglichen wird,- wobei die sicherheitsgerichtete Funktionalität des Geräts fortgesetzt wird, wenn die berechneten Prüfsummen (CS1u, CS2s) mit den gespeicherten Prüfsummen (CS1u, CS2s) übereinstimmen, und- wobei das Gerät in einen sicheren Zustand versetzt wird, wenn die berechneten Prüfsummen (CS1u, CS2s) nicht mit den gespeicherten Prüfsummen (CS1u,CS2s) übereinstimmen, wobei in dem sicheren Zustand keine Maschinenbewegungen ausgelöst werden, aufgrund welchen Gefahr von Leib und Leben entstehen kann.Method for checking data in an arithmetic unit at runtime of a program, the arithmetic unit being part of a device with safety-oriented functionality, the data (DATA) being checked with a checksum of the first type (CS2s) and with a checksum of the second type (CS1u), by calculating the checksum of the first type and the checksum of the second type at runtime of the program and in each case comparing them with a stored checksum (CS1u, CS2s), the calculation time required to calculate the checksum of the second type (CS1u) less than the calculation time required at runtime of the program Calculating the first type of checksum (CS2s), - whereby the first type of checksum (CS2s) is calculated when the program is initialized and compared with the stored checksum and the second type of checksum (CS1u) is checked several times during the cyclical check during the program runtime , in particular at regular and / or predefinable time intervals b is calculated and compared with the stored checksum, - the safety-related functionality of the device is continued if the calculated checksums (CS1u, CS2s) match the stored checksums (CS1u, CS2s), and - the device is placed in a safe state , if the calculated checksums (CS1u, CS2s) do not match the stored checksums (CS1u, CS2s), whereby no machine movements are triggered in the safe state, due to which danger to life and limb can arise.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Überprüfen von Daten mittels wenigstens zweier Prüfsummen sowie eine Recheneinheit zu dessen Durchführung.The present invention relates to a method for checking data by means of at least two checksums and a computing unit for carrying it out.
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung befasst sich mit sicherheitsgerichteter Software, bei der Daten (insbesondere Programmcode und/oder andere statische (konstante) Daten) in einer Speichereinheit liegen. Die Datenintegrität dieser Daten muss dabei sichergestellt werden, um sicherzustellen, dass die Daten während der Laufzeit bzw. Lebenszeit des Gerätes nicht verändert werden. Solche Anwendungen findet man beispielsweise bei Sicherheits-SPSen.The invention is concerned with safety-related software in which data (in particular program code and / or other static (constant) data) are located in a storage unit. The data integrity of this data must be ensured to ensure that the data are not changed during the runtime or lifetime of the device. Such applications can be found, for example, in safety PLCs.
Es kann vorgesehen sein, die Daten zyklisch zu überprüfen. Hierbei soll ein bestimmter Diagnosedeckungsgrad „
Die Datenintegritätsprüfung kann dabei mittels Redundanzinformation stattfinden. Dies kann in Geräten mit sicherheitsgerichteter Funktionalität durch Redundanzinformationen (beispielsweise Prüfsummen), die zu den zu sichernden Daten hinzugefügt werden, in Verbindung mit einer zyklischen Überprüfung erreicht werden. Dabei wird wiederum zyklisch (z.B. alle 8 Stunden) überprüft, ob eine berechnete Prüfsumme noch mit einer gespeicherten Prüfsumme der Daten übereinstimmt. Ist dies der Fall, wird die sicherheitsgerichtete Funktion fortgesetzt, ist dies nicht der Fall, wird das System in einen sicheren Zustand versetzt. Damit soll z.B. verhindert werden, dass bei korrumpiertem Programmcode Gefahr für Leib und Leben entstehen kann, indem z.B. Maschinenbewegungen ausgelöst werden, die nicht ausgelöst werden sollen.The data integrity check can take place using redundancy information. In devices with safety-related functionality, this can be achieved through redundancy information (for example, checksums) that is added to the data to be backed up in connection with a cyclical check. Again, it is checked cyclically (e.g. every 8 hours) whether a calculated checksum still matches a stored checksum of the data. If this is the case, the safety-related function is continued. If this is not the case, the system is put into a safe state. With this e.g. Preventing danger to life and limb if the program code is corrupted, e.g. by Machine movements are triggered that should not be triggered.
Bei sicherheitsgerichteter Software muss die Prüfung der Datenintegrität immer erfolgen. Sie ist besonders dadurch notwendig, da der Programmcode bzw. statische Daten beim Start des sicherheitsgerichteten Gerätes meist aus einem nichtflüchtigen Speicher (z.B. Flash-Speicher) in einen flüchtigen Speicher (
Insbesondere die zyklische Überprüfung bereitet jedoch Probleme, da sie zur Laufzeit der sicherheitsgerichteten Software durchgeführt wird und daher Rechenleistung der ausführenden Recheneinheit, insbesondere SPS, bzw. deren CPU beansprucht, die dann nicht für andere Funktionen zur Verfügung steht.However, the cyclical check in particular causes problems since it is carried out during the runtime of the safety-related software and therefore requires computing power from the executing computing unit, in particular the PLC, or its CPU, which is then not available for other functions.
Die WO 2006/ 108 849 A1 zeigt eine Recheneinheit, die eine Recheneinheit eines Gerätes mit sicherheitsgerichteter Funktionalität ist.WO 2006/108 849 A1 shows a computing unit that is a computing unit of a device with safety-related functionality.
Es ist daher wünschenswert, die Überprüfung von Daten in einer Recheneinheit zu vereinfachen.It is therefore desirable to simplify the checking of data in a computing unit.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Überprüfen von Daten mittels wenigstens zweier Prüfsummen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.According to the invention, a method for checking data by means of at least two checksums with the features of claim 1 is proposed. Advantageous embodiments are the subject of the subclaims and the following description.
Die Erfindung basiert auf der Maßnahme, die zu sichernden Daten mit wenigstens zwei Prüfsummen unterschiedlicher Art abzusichern, wobei eine Prüfsumme einer ersten Art eine hohe Sicherheit bei ggf. auch erhöhtem Rechenleistungsbedarf und eine Prüfsumme zweiter Art einen geringen Rechenleistungsbedarf bei ggf. auch verringerter Sicherheit bietet. Die Prüfsumme erster Art ist daher auf hohe Sicherheit ausgelegt, die Prüfsumme zweiter Art auf geringe Rechenleistung. Die Prüfsumme erster Art wird vorzugsweise bei der Initialisierung bzw. beim Start der Software verwendet, die Prüfsumme zweiter Art bei der zyklischen Überprüfung während der Laufzeit. The invention is based on the measure of securing the data to be backed up with at least two checksums of different types, a checksum of a first type offering a high level of security with possibly also increased computing power requirements and a checksum of the second type offering a low level of computing power requirements with possibly also reduced security. The first type of checksum is therefore designed for high security, the second type of checksum for low computing power. The checksum of the first type is preferably used during the initialization or when the software is started, the checksum of the second type is used for the cyclical check during the runtime.
Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention
Bisher werden zur zyklischen Prüfung bei sicherheitsgerichteten Geräten aufwändige Prüfsummen (meist CRCs) auch bei großen Datenmengen verwendet, obwohl diese zur Erreichung eines geforderten Diagnosedeckungsgrades nicht notwendig sind. Dies liegt insbesondere an möglichen Forderungen (z.B. Hammingabstände deutlich größer
Durch die Erfindung besitzt man den Vorteil, dass die erstmalige Datenintegritätsprüfung mit deutlich besserer Fehleraufdeckungswahrscheinlichkeit als bisher ausgeführt werden kann, da ein Rechenzeitbedarf zu diesem Zeitpunkt nicht relevant ist. Die spätere zyklische Datenintegritätsprüfung wird hingegen rechenzeitoptimal durchgeführt.The invention has the advantage that the first-time data integrity check can be carried out with a significantly better probability of error detection than before, since a computing time requirement is not relevant at this point in time. The subsequent cyclical data integrity check, however, is carried out optimally in terms of computing time.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Prüfsumme erster Art um eine CRC-Prüfsumme (zyklische Redundanzprüfung, englisch cyclic redundancy check). Eine CRC-Prüfsumme basiert auf einer Polynomdivision. Eine solche Prüfsumme kann eine höhere Fehlererkennung liefern, ist jedoch auch aufwändiger zu berechnen. Eine CRC-Prüfsumme besitzt die Eigenschaft, dass bei kürzeren Daten eine höhere Erkennbarkeit der Fehler vorhanden ist. Hierbei spricht man vom sog. Hammingabstand, dies ist die Mindestanzahl an Bits, in denen sich zwei Datenfelder (incl.
CRC-Prüfsummen besitzen die Eigenschaft, dass der Vorteil der höheren Erkennbarkeit von Fehlern bei kürzeren Daten bei Anwendung auf große Datenmengen nicht mehr gegeben ist und sie im Grenzfall nur eine minimal bessere Fehlererkennung besitzen als einfache Additionsprüfsummen.The first type of checksum is preferably a CRC checksum (cyclic redundancy check). A CRC checksum is based on a polynomial division. Such a checksum can provide higher error detection, but is also more complex to calculate. A CRC checksum has the property that the errors are more recognizable with shorter data. This is called the so-called Hamming distance, this is the minimum number of bits in which two data fields (incl.
CRC checksums have the property that the advantage of higher detectability of errors with shorter data when applied to large amounts of data is no longer present and, in the limit case, they only have a slightly better error detection than simple addition checksums.
Vorzugsweise handelt es sich bei der Prüfsumme zweiter Art um eine Additionsprüfsumme. Unter Additionsprüfsummen versteht man Prüfsummen, die durch die einfache Addition der Daten entstehen. Eine solche Prüfsumme ist sehr einfach zu berechnen und benötigt nur wenig Rechenkapazität. Man kann abschätzen, dass eine einfache Additionsprüfsumme ca. nur 10% des Rechenzeitbedarfs einer
Vorzugsweise entspricht die Länge der Additionsprüfsumme der internen Speicherzugriffsdatenbreite oder der CPU-internen Registerbreite (z.B.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung handelt es sich bei der Prüfsumme zweiter Art um eine CRC-Prüfsumme, deren Berechnung jedoch weniger Rechenzeit benötigt als die Berechnung der Prüfsumme erster Art. Beispielsweise kann sie kürzer sein (z.B. nur 8 Bit). Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Prüfsumme zweiter Art um eine 8Bit-CRC-Prüfsumme, die über einfache Tabellenzugriffe (Tabelle mit 256 Bytewerten) den jeweiligen Folge-Bytewert anhand des Datenbytewertes berechnet, beispielsweise nach dem Schema:
for (byte = 0; byte < nBytes; ++byte) { checksum = crcTable[data]; }According to another embodiment, the checksum of the second type is a CRC checksum, the calculation of which, however, requires less computing time than the calculation of the checksum of the first type. For example, it can be shorter (for example only 8 bits). According to a further preferred embodiment, the checksum of the second type is an 8-bit CRC checksum which uses simple table accesses (table with 256 byte values) to calculate the respective subsequent byte value on the basis of the data byte value, for example according to the scheme:
for (byte = 0; byte <nBytes; ++ byte) { checksum = crcTable [data]; }
Dem Fachmann ist aus dem Softwarebereich bekannt, wie die Tabelle (crcTable⌷) bei der Initialisierung vorbesetzt werden muss.The person skilled in the software knows how the table (crcTable⌷) must be preset during initialization.
Ein solches Verfahren ist besonders für kurze Prüfsummen geeignet, da die Tabelle 2M Einträge besitzen muss, wobei
Im Vergleich dazu schneidet eine 16bittige oder 32bittige Additionsprüfsumme mit vergleichbarem Rechenaufwand wie eine Sbittige CRC bei langen Datenfeldern deutlich besser ab: Die Diagnoseabdeckung beträgt bei langen Datenfeldern ungefähr:
- • bei einer 8Bit-Prüfsumme nur 99,6% (CRC- oder Additionsprüfsumme)
- • bei einer 16Bit-Prüfsumme 99,998% (CRC- oder Additionsprüfsumme)
- • bei einer 23Bit-Prüfsumme 99,99999998 % (CRC- oder Additionsprüfsumme)
- • with an 8-bit checksum only 99.6% (CRC or addition checksum)
- • 99.998% for a 16-bit checksum (CRC or addition checksum)
- • with a 23-bit checksum 99.99999998% (CRC or addition checksum)
Nimmt man an, dass die geforderte Diagnoseabdeckung der zyklischen Integritätsprüfung 99% betragen soll, reicht eine 7bittige (in der Praxis
Vorzugsweise sind die Daten und die Prüfsumme zweiter Art durch die Prüfsumme erster Art gesichert. Hierdurch wird erreicht, dass bei Programmstart auch eine Korrumpierung der einfacheren Prüfsumme sicher erkannt wird.The data and the checksum of the second type are preferably secured by the checksum of the first type. This ensures that corruption of the simpler checksum is reliably detected when the program starts.
Eine erfindungsgemäße Recheneinheit, z.B. eine
Auch die Implementierung der Erfindung in Form von Software ist vorteilhaft, da dies besonders geringe Kosten ermöglicht, insbesondere wenn eine ausführende Recheneinheit noch für weitere Aufgaben genutzt wird und daher ohnehin vorhanden ist. Geeignete Datenträger zur Bereitstellung des Computerprogramms sind insbesondere Disketten, Festplatten, Flash-Speicher, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs u.a.m. Auch ein Download eines Programms über Computernetze (Internet, Intranet usw.) ist möglich.The implementation of the invention in the form of software is also advantageous, since this enables particularly low costs, in particular if an executing computing unit is still used for further tasks and is therefore present anyway. Suitable data carriers for providing the computer program are, in particular, floppy disks, hard disks, flash memory, EEPROMs, CD-ROMs, DVDs, etc. It is also possible to download a program via computer networks (internet, intranet, etc.).
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachfolgend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It goes without saying that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own without departing from the scope of the present invention.
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung ausführlich beschrieben.The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described in detail below with reference to the drawing.
FigurenlisteFigure list
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1a und1b zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung aus Daten und Prüfsummen in einer Speichereinheit, wobei jeweils eine Prüfsumme erster Art und eine Prüfsumme zweiter Art vorgesehen sind.1a and1b each show a preferred embodiment of an arrangement of data and checksums in a memory unit, a checksum of the first type and a checksum of the second type being provided in each case. -
2a bis2d zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung aus Daten und Prüfsummen in einer Speichereinheit, wobei die Prüfsumme erster Art jeweils aus drei Teilprüfsummen besteht.2a to2d each show a preferred embodiment of an arrangement of data and checksums in a memory unit, the checksum of the first type each consisting of three partial checksums. -
3a und3b zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung aus Daten und Prüfsummen in einer Speichereinheit, wobei die Prüfsumme erster Art jeweils aus drei Teilprüfsummen und einer zusätzlichen Teilprüfsumme besteht.3a and3b each show a preferred embodiment of an arrangement of data and checksums in a memory unit, the checksum of the first type each consisting of three partial checksums and an additional partial checksum. -
4a und4b zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform einer Anordnung aus Daten und Prüfsummen in einer Speichereinheit, wobei die Prüfsumme erster Art und die Prüfsumme zweiter Art jeweils aus drei Teilprüfsummen bestehen.4a and4b each show a preferred embodiment of an arrangement of data and checksums in a memory unit, the checksum of the first type and the checksum of the second type each consisting of three partial checksums.
Detaillierte Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
In den Figuren werden unterschiedliche bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung am Beispiel von zu sichernden Daten und Prüfsummen als Anordnung in einer Speichereinheit dargestellt. Die zu sichernden Daten sind mit
In
Es kann vorgesehen sein, dass die Prüfsumme erster Art und/oder die Prüfsumme zweiter Art jeweils mehrere Teilprüfsummen umfassen. Dementsprechend können die Daten in mehrere Teildatenbereiche unterteilt werden. Vorzugsweise wird jedem Teildatenbereich eine Teilprüfsumme zugeordnet. Dies erhöht insbesondere bei CRC-Prüfsummen erster Art die Sicherheit, da Fehler in kleineren Datenmengen mit größerer Sicherheit erkannt werden können.It can be provided that the checksum of the first type and / or the checksum of the second type each comprise several partial checksums. Accordingly, the data can be divided into several partial data areas. A partial checksum is preferably assigned to each partial data area. This increases security in particular with CRC checksums of the first type, since errors in smaller amounts of data can be detected with greater certainty.
In den
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